淺談電氣與自動(dòng)控制系統(tǒng)的防雷問(wèn)題

曾宇

摘 要：自動(dòng)控制系統(tǒng)的防雷問(wèn)題近年受到越來(lái)越多的重視。隨著防雷意識(shí)的逐步提高，需要對(duì)目前行業(yè)中存在的各種不規(guī)范甚至錯(cuò)誤的防雷方式、方法作出正確引導(dǎo)，才能真正起到防患于未然的有效作用?，F(xiàn)就防雷體系中的幾項(xiàng)關(guān)鍵措施作出分析和說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：接地；等電位連接；電磁封鎖；浪涌保護(hù)器

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)不斷向多功能、復(fù)雜化、大型化的方向演變，各種電子設(shè)備及微電子設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，各種現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的精密度在不斷提高，此類設(shè)備一般工作電壓低、耐壓水平低、敏感性高、抗干擾能力低，因而極易受到雷電電流脈沖的危害，每年都會(huì)直接或間接地造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)企業(yè)而言，輕則導(dǎo)致儀表的損壞，重則使生產(chǎn)流程受到嚴(yán)重影響甚至癱瘓，直接影響整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。近年來(lái)，人們對(duì)于雷害的認(rèn)識(shí)在不斷上升，在注意防范直擊雷的同時(shí)，更多的關(guān)注已經(jīng)投入到如何有效防止感應(yīng)雷造成的損害這一課題上。

1 雷電的成因及主要形式

根據(jù)大量科學(xué)測(cè)試可知，地球上存在一個(gè)帶正電的電離層，與大地之間形成一個(gè)已充電的電容器，場(chǎng)強(qiáng)為上正下負(fù)。當(dāng)?shù)孛婧羝目諝馐艿降孛婧婵臼軣嵘仙?，或者溫暖潮濕的空氣與冷空氣相遇而被墊高都會(huì)產(chǎn)生向上的氣流。上升氣流溫度逐漸下降形成水成物（雨滴、冰雹），并由于地球靜電場(chǎng)的作用而被極化，負(fù)電荷在上，正電荷在下，它們受重力作用落下與云粒子發(fā)生碰撞，其結(jié)果是云粒子帶走了水成物前端的部分正電荷，從而使水成物帶上負(fù)電。持續(xù)碰撞的結(jié)果使帶正電的云粒子在云的上部，而帶負(fù)電荷的水成物在云的下部。

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足夠高（25～30kV/cm）時(shí)將引起雷云間的強(qiáng)烈放電，或是雷云中的內(nèi)部放電，或是雷云對(duì)地放電，即所謂的雷電。雷電按其作用形式主要分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷所造成的危害很直觀，一般會(huì)引起火災(zāi)、燃燒等。主要靠加裝避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)等來(lái)防護(hù)。感應(yīng)雷沒(méi)有直擊雷那么猛烈，但它發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。不論是雷云間閃擊或雷云對(duì)地閃擊，都有可能發(fā)生感應(yīng)雷而形成電磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)一定水平將會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的集成電路造成暫時(shí)的、甚至永久性的損壞，影響電子設(shè)備的穩(wěn)定性，令通訊設(shè)備的傳輸信號(hào)失真等。因此對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，更應(yīng)該關(guān)注如何有效防止感應(yīng)雷，避免（減少）感應(yīng)雷引起的損害。

2 瞬間過(guò)電壓對(duì)電子設(shè)備的危害

瞬間過(guò)電壓使電子設(shè)備訊號(hào)或數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)都受到干擾甚至丟失，致使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓重復(fù)影響會(huì)降低電子設(shè)備壽命甚至立即燒毀元器件及設(shè)備。這一切都會(huì)給生產(chǎn)和工作帶來(lái)較大損失。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的防雷及防電涌保護(hù)

3.1 合理接地

防雷工程的關(guān)鍵在于接地，長(zhǎng)久以來(lái)的觀點(diǎn)認(rèn)為接地關(guān)鍵在于接地電阻的大小，接地電阻值越小，對(duì)雷電流的泄放能力就越強(qiáng)，被雷擊物高電位保持時(shí)間越短，因此危險(xiǎn)性也就越小。防雷的最終措施是“泄放”，因而對(duì)“接地”切不可輕心。接地主要有建筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地、計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時(shí)通過(guò)接地網(wǎng)對(duì)自控系統(tǒng)造成雷擊。

計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)是一個(gè)特殊用電系統(tǒng)，其接地電阻應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)工作地（小于4Ω），直流工作地（信號(hào)屏蔽地、邏輯地等小于2Ω），安全保護(hù)地（小于4Ω）。地網(wǎng)分開(kāi)設(shè)置時(shí)應(yīng)注意避免地網(wǎng)之間的閃絡(luò)。雷擊時(shí)，會(huì)在地網(wǎng)及附近導(dǎo)體中產(chǎn)生很高電位。所以，地網(wǎng)之間的距離當(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時(shí)應(yīng)大于10m。在接地線引入室內(nèi)時(shí)，若與其他地網(wǎng)距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。

3.2 電磁封鎖

中國(guó)一直以來(lái)對(duì)儀表線纜的敷設(shè)有過(guò)不少的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但較少顧及防雷的問(wèn)題。原則上要求單端接地，另一端懸空。這是為了防止因地電位差產(chǎn)生的靜電感應(yīng)（電容性耦合）會(huì)對(duì)儀表傳輸信號(hào)產(chǎn)生噪聲和干擾，以致傳輸信號(hào)失真。但是對(duì)于防雷工程來(lái)說(shuō)，單端接地是不能預(yù)防電感性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，更阻擋不了雷電波的侵入。這就提出一個(gè)問(wèn)題，如何在保證檢測(cè)信號(hào)不受損害的情況下有效地防雷？應(yīng)采用有絕緣隔開(kāi)的雙層屏蔽，外屏蔽層應(yīng)至少在兩端做等電位連接。這一條規(guī)定很好地詮釋了兩者之間看似矛盾的概念。

雷擊時(shí)，由于電磁感應(yīng)在導(dǎo)體附近產(chǎn)生一干擾磁場(chǎng)；外屏蔽層與地之間，或與其他同樣做了等電位連接的導(dǎo)體之間構(gòu)成環(huán)路，感應(yīng)出一電流。根據(jù)右手螺旋定則，該感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將抵消（或部分抵消）掉源干擾磁場(chǎng)的磁通，從而抑制（或部分抑制）無(wú)外屏蔽層時(shí)由于電感耦合而產(chǎn)生的電壓，防止雷電波的入侵。

實(shí)現(xiàn)雙層屏蔽，應(yīng)采用鎧裝電纜或帶金屬屏蔽層的電纜，穿金屬保護(hù)管埋地（或架空）敷設(shè)，并保證兩端可靠接地。在進(jìn)出建筑物、管道交叉、分支處均應(yīng)可靠接地，對(duì)于長(zhǎng)直管道，應(yīng)每隔25～30m接地一次，防止因距離過(guò)長(zhǎng)引起的地電位差變化幅度過(guò)大。

3.3 合理安裝SPD

SPD的作用是把因雷電感應(yīng)而竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬態(tài)過(guò)電壓限制在一定的范圍內(nèi)，保證用電設(shè)備不被擊穿。加裝SPD可把電器設(shè)備實(shí)際承受的電壓限制在允許范圍內(nèi)，以起到保護(hù)設(shè)備的作用。

根據(jù)被保護(hù)的設(shè)備供電系統(tǒng)類型和電源電壓，選擇不同防護(hù)結(jié)構(gòu)的SPD。檢驗(yàn)其限流能力的標(biāo)準(zhǔn)是使用10/350μs與8/20μs的雷電流波形。前者是指閃電直接擊在建筑物附近，以及閃電直接擊在引入建筑物的電源線路上或該段電源線路附近時(shí)使用的波形；后者是檢驗(yàn)雷電電磁脈沖使用的波形。

根據(jù)被保護(hù)的設(shè)備、SPD安裝處雷擊情況及所在的防雷區(qū)域，應(yīng)該在各防雷分區(qū)處分級(jí)安裝SPD，逐步減少瞬態(tài)浪涌電流/電壓值，最后1級(jí)將浪涌電壓限制在設(shè)備能安全承受的范圍內(nèi)。第1級(jí)SPD應(yīng)盡量靠近建筑物電源進(jìn)線處，Imax（最大放電電流）應(yīng)大于100kA（8/20μs），殘壓限制在1.5～1.8kV；第2級(jí)SPD應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備，Imax應(yīng)大于40kA（8/20μs），殘壓限制在0.9～1.2kV；第3級(jí)SPD盡量靠近被保護(hù)設(shè)備，Imax應(yīng)大于15kA（8/20μs），殘壓限制在0.1～0.4kV。一般電子元件都可以承受2倍其額定電壓以上的瞬時(shí)過(guò)電壓，通過(guò)這三級(jí)對(duì)浪涌電流的泄放以及限壓，最后加載在設(shè)備上的過(guò)電壓一般都不會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響。

對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的防雷，主要是指第2，3級(jí)的防雷?？刂剖乙话愣紩?huì)作等電位連接，為防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，部分控制室更會(huì)以金屬格柵或鋼筋圍繞，形成一個(gè)法拉第籠。在進(jìn)出控制室處（即雷電防護(hù)區(qū)LPZ分區(qū)處）的線路上安裝SPD，以防止浪涌電流進(jìn)入控制室。DCS，PLC等設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間，儀表設(shè)備配電盤(pán)之前，均應(yīng)安裝SPD，所有儀表供電應(yīng)引自同一個(gè)受到SPD保護(hù)的配電盤(pán)。相比之下，室外儀表更易受到雷擊時(shí)的電磁干擾，尤其對(duì)于建在無(wú)遮擋的野外的大型庫(kù)區(qū)、水處理場(chǎng)等工業(yè)設(shè)施，儀表重要性較高，需連續(xù)生產(chǎn)，不易更換，因此應(yīng)加裝SPD。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)關(guān)于防雷工程的各種書(shū)藉、雜志紛紛涌現(xiàn)，相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新。對(duì)于防雷工程的方式方法要在實(shí)踐中繼續(xù)摸索前進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)有理論使防雷工作不斷完善！踏前人之基石，創(chuàng)后世之豐碑！

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